Corrente eléctrica

A corrente eléctrica ou intensidade eléctrica é o fluxo de carga eléctrica por unidade de tempo que percorre un material condutor de corrente. Na Física, a corrente eléctrica é o fluxo líquido de calquera carga eléctrica. As cargas eléctricas poden ser negativas (electróns) ou positivas (buracos), aínda que a corrente convencional foi definida, por razóns históricas, como un fluxo de cargas positivas. Hoxe, con todo, coñecemos que en materiais como os metais a circulación é de cargas negativas e en dirección oposta; aínda así, a definición da corrente convencional segue sendo válida. Os raios son exemplos de corrente eléctrica, ben como o vento solar, porén o máis coñecido, probabelmente, é o fluxo de electróns a través dun condutor eléctrico, xeralmente metálico.

Ao falarmos de corrente eléctrica, desde un punto de vista xeométrico, podemos considerar tipicamente tres situacións:

• que a corrente circule por unha liña (i.e. unha corrente unidimensional), caso no que se falará de intensidade de corrente eléctrica.
• que a corrente circule sobre unha superficie (i.e. unha corrente bidimensional), caso no que se fala de densidade superficial de corrente.
• que a corrente circule a través dun volume (corrente en tres dimensións), caso no que se fala de densidade volúmica ou volumétrica de corrente.

Historia

A utilización da tecnoloxía da corrente eléctrica comezou cara á metade do século XIX co telégrafo e a galvanización, para as dúas aplicacións utilizábase a potencia que fornecían as primeiras baterías. En 1866 Werner von Siemens utilizou o principio da dinamo de Søren Hjorth para crear o primeiro xerador eléctrico comercial, que se vendía como máquina para a ignición a distancia das cargas explosivas. A partir de 1880 desenvolveu máquinas cada vez máis grandes para responder ás necesidades crecentes de enerxía eléctrica. Ao principio as redes de corrente eléctrica utilizabanse para prover electricidade para o alumado público ou doméstico con lámpadas de descarga, de arco ou de incandescencia. Outra das primeiras utilizacións da corrente eléctrica foi nos faros dado que as lámpadas eléctricas daban unha intensidade de luz superior ás antigas candeas ou lámpadas de queroseno. Como resultado da evolución da tecnoloxía apareceron as primeiras centrais eléctricas que ao principio se baseaban nas turbinas hidráulicas e os motores de vapor. A partir de principios do século XX a dispoñibilidade de turbinas de vapor de gran potencia fará que esta tecnoloxía convértase no principal medio de produción de corrente eléctrica.

Nos últimos anos do século XIX produciuse o que se chama a guerra das correntes, os contendentes eran o corrente continua e o corrente alterna, que se decantó en favor da corrente alterna. A corrente alterna é hoxe en día o xeito fundamental de transporte da enerxía eléctrica e ofrece grandes vantaxes:

• Baixas perdas durante a transformación.
• Gran rendemento e facilidade de transporte a grandes voltaxes e utilización de transformadores para entregar corrente adecuaao para ser utilizada nos fogares e a industria.
• Os motores trifásicos, que só funcionan con corrente alterna, son robustos e non requiren conmutador.

Pero a corrente alterna tamén presenta algúns inconvenientes, por exemplo que a variación constante da tensión obriga a que os aparellos eléctricos sexan alimentados a través dun rectificador. Outro problema é a aparición de potencia reactiva á rede eléctrica, o que levou a partir da segunda metade do século XX á aparición das redes de transporte de corrente continua de alta tensión.

A corrente continua pode ser almacenada en acumuladores xunto coa rede ferroviaria (e tranviaria) constitúe un mercado interesante que xustifica a vixencia deste tipo de corrente. Desde o punto de vista de hoxe en día, ata baterías de gran tamaño serían demasiado pequenas para almacenar cargas importantes. O desenvolvemento da electrónica de potencia pode converter facilmente un tipo de corrente no outro, e podémolos atopar xuntos, por exemplo nos modernos trens multisistema.

Definición

Sabemos que un condutor eléctrico está en equilibrio se o campo eléctrico é igual a cero en calquera punto dentro do condutor, é dicir, o potencial eléctrico é constante en todos os puntos do condutor. É evidente que se hai unha diferenza de potencial entre dous puntos do condutor, tamén haberá un campo eléctrico distinto de cero, e polo tanto unha corrente eléctrica. Esta diferenza de potencial chámase forza electromotriz e constitúe a base do funcionamento dos circuítos eléctricos e os campos electromagnéticos, xunto coa lei de Ohm e leis de Kirchoff.

A magnitude dunha corrente eléctrica a un punto determinado é a derivada con respecto ao tempo da carga eléctrica:

$I(t)={\dot {Q}}(t).$

Formalmente escríbese como:

$I(t)={\mathrm {d} Q(t) \over \mathrm {d} t}$ ou de maneira inversa como $Q(t)=\int _{t_{0}}^{t}I(t)\,\mathrm {d} t+Q(t_{0})$

A cantidade de carga Q que flúe por unidade de tempo t é I, que é a intensidade da corrente. A intensidade da corrente eléctrica a pesar de ter unha intensidade, unha dirección e un sentido é unha cantidade escalar, porque se suma de xeito escalar como o demostra a lei dos nos. Non obstante a densidade da corrente está vinculada a unha magnitude vectorial chamada densidade de corrente.

O campo eléctrico realiza un traballo sobre as cargas, prodúcese unha transferencia de potencia dende o campo cara ás cargas en movemento. Este traballo vén dada por:

$dL=dq\Delta V=I\Delta Vdt\$

A potencia desenvolvida polo campo eléctrico é entón:

$W={\frac {dL}{dt}}=I\Delta V$

Intensidade de corrente eléctrica

O símbolo convencional para representar a intensidade de corrente eléctrica (isto é, a cantidade de carga Q que flúe por unidade de tempo t) é o I, orixinal da alemán Intensität, que significa intensidade.

$I={dQ \over dt}$

A unidade padrón no SI para medida de corrente é o ampere. A corrente eléctrica é tamén chamada informalmente de amperaxe.

Unha cuestión que moitas veces chama a atención é a definición do ampere coma unidade fundamental, a partir da cal, multiplicando polo segundo (a unidade de tempo), se define o coulomb (a unidade de carga) coma unha unidade derivada. Isto é, considérase a corrente eléctrica como magnitude fundamental, e non así a unidade de carga eléctrica que deriva dela.

Métodos de medición

Como toda corrente produce un campo magnético asociado, podemos tentar medir este campo para determinar a intensidade da corrente. O efecto Hall, a bobina de Rogowski e sensores poden ser de grande axuda neste caso.

Para medir a corrente, pódese utilizar un amperímetro, este nome vén do amperio que é a unidade en que se mide a corrente eléctrica. Para efectuar a medida da intensidade da corrente circulante, o amperímetro debe situarse en serie, é dicir, nunha configuración de conexión na que os bornes ou terminais dos dispositivos se conectan secuencialmente, para que o dispositivo sexa atravesado pola corrente. A pesar de práctico, isto pode levar a unha interferencia excesiva no obxecto de medición, como por exemplo, desmontar unha parte dun circuíto que non podería desmontarse. Isto implica que o amperímetro debe posuír unha resistencia interna o máis pequena posible, para que non produza unha caída de tensión apreciable. Para iso, no caso de instrumentos baseados nos efectos electromagnéticos da corrente eléctrica, estarán dotados de bobinas de fío groso e con poucas espiras. Nalgúns casos, para permitir a medida de intensidades superiores ás que poderían soportar as bobinas e os órganos mecánicos do aparello sen destruírse, dótaselles dunha resistencia de moi pequeno valor colocada en paralelo coa bobina, de modo que soamente pasará por esta unha fracción da corrente principal. Esta resistencia adicional recibe o nome de shunt.

Corrente convencional (o sentido da corrente)

Esquema que representa o sentido do fluxo dos portadores de carga positivos e negativos dentro dun condutor. As frechas vermellas grosas da dereita representan o sentido convencional.

A Corrente convencional definiuse, nos albores da ciencia da electricidade, como o fluxo de cargas positivas, é dicir, as cargas que se movían do polo positivo ao polo negativo. Nese momento aínda non se coñecía a estrutura dos átomos e non se podía imaxinar que nos condutores sólidos as cargas positivas están fortemente ligadas aos núcleos dos átomos e, xa que logo, non pode haber ningún tipo de fluxo de cargas positivas neste tipo de materiais. Con todo cando a física subatómica constatou este feito o concepto anterior era moi estendido e arraigado, sendo amplamente utilizado nos cálculos e na análise de circuítos.

Por esta razón histórica este sentido segue sendo utilizado hoxe en día e recibe o nome de sentido convencional de circulación da corrente eléctrica. En calquera tipo de condutor flue no sentido oposto ao fluxo neto das cargas negativas ou no sentido do campo eléctrico establecido polo condutor. Na práctica calquera corrente eléctrica pode ser representada como un fluxo de portadores de carga positiva sen que iso derive na aparición de erros de cálculo ou de calquera outro problema práctico.

En condutores metálicos, como fíos, as cargas positivas non se moven, e polo tanto, apenas as cargas negativas flúen, en sentido contrario á corrente convencional, pero isto non é o que acontece na maioría dos condutores non-metálicos. Noutros materiais, partículas cargadas flúen en ambas direccións ao mesmo tempo. Nas solucións químicas, a corrente pode derivarse polo movemento de ións, tanto positivos como negativos. As correntes eléctricas no plasma consisten tanto no fluxo de electróns como no de ións negativos. No xeo e en certos electrólitos sólidos, o fluxo de protóns constitúe a corrente eléctrica. Para simplificar esa situación, a definición orixinal da corrente convencional aínda permanece.

Tamén temos casos onde son electróns (cargas negativas) os que se están a mover, aínda que é máis sensato falar de ocos ou lacunas positivos a se moveren. Isto é o que acontece en semicondutores do tipo p.

A velocidade da corrente eléctrica

As partículas cargadas que se moven causando corrente eléctrica non sempre o fan en liña recta. Nos metais, por exemplo, seguen uns camiños desordenados, pulando dun átomo para outro, mais xeralmente impulsadas na dirección do campo eléctrico. A velocidade coa cal se puxan pódese calcular pola ecuación:

$I=nAvQ$

onde

I é a intensidade de corrente

n é o número de partículas cargadas por unidade de volume

A é a área da sección transversal do condutor

v é a velocidade das partículas cargadas

Q é a carga dunha partícula (carga elemental).

Densidades de corrente

Densidade superficial

A corrente eléctrica I relaciónase coa densidade superficial de corrente eléctrica K a través da fórmula

$K={dI \over dl}$

onde, no SI,

dI é a intensidade diferencial de corrente medida en amperes

K é a "densidade superficial de corrente" medida en amperes por metro

dl é a liña diferencial normal á dirección da corrente, medida en metros

A densidade superficial de corrente pódese definir tamén a partir do estado de movemento das partículas cargadas que a xeran, como a integral sobre as partículas:

$K=\int _{i}n_{i}\cdot Q_{i}\cdot \mathbf {v_{i}}$

onde

n é a densidade de partículas (número de partículas por unidade de superficie)

Q é a carga

v é a velocidade media da partícula en cada volume

Densidade volumétrica

Do mesmo xeito a corrente eléctrica I relaciónase coa densidade volumétrica de corrente eléctrica K a través da fórmula

$J={dI \over dA}$

onde, no SI,

J é a "densidade volumétrica de corrente" medida en amperes por metro

dI é a intensidade diferencial de corrente medida en amperes

dA é a área ou sección diferencial a través da cal a corrente circula, medida en metros cadrados

Pódese definir tamén como:

$J=\int _{i}n_{i}\cdot Q_{i}\cdot \mathbf {v_{i}}$

onde

n é a densidade de partículas (número de partículas por unidade de volume)

Q é a carga

v é a velocidade media da partícula en cada volume

A Densidade de corrente é de importante consideración en proxectos de sistemas eléctricos. A maioría dos condutores eléctricos posúen unha resistencia positiva finita, facéndoos entón disipar potencia na forma de calor. A densidade de corrente debe permanecer suficientemente baixa para previr que o condutor funda ou queime, ou que o illamento do material caia. En supercondutores, unha corrente excesiva pode xerar un campo magnético forte abondo para causar perda espontánea da propiedade de supercondución.

Lei de Ohm

Un circuíto eléctrico sinxelo. A relación entre a intensidade eléctrica (i), a voltaxe (V) e a resistencia (R) ven dada pola Lei de Ohm: i=V/R.

A lei de Ohm describe a relación entre a intensidade e a tensión nunha corrente eléctrica: a diferenza de potencial (V) é directamente proporcional á intensidade de corrente (I) e a resistencia (R). Esta razón exprésase a través da ecuación:

$V=I\times R$

onde

$V$ é a diferenza de potencial medida en voltios

$I$ é a corrente medida en amperios

$R$ é a resistencia medida en ohms

Electromagnetismo

Calquera corrente eléctrica produce un campo magnético, que se pode representar como un conxunto de liñas de campo circulares que rodean o fío condutor.

A corrente eléctrica pódese medir directamente cun galvanómetro, pero este método comporta romper o circuíto, o que ás veces é un inconveniente. Para evitar cortar o circuíto, pódese utilizar a detección do campo magnético que xera. Os aparellos que utilizan este método son, entre outros, os sensores de efecto Hall ou a bobina de Rogowski.

Véxase tamén

Outros artigos

• Densidade de corrente eléctrica
• Corrente alternada
• Corrente continua
• Carga eléctrica
• Diferenza de potencial